ESTUDIO ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA REDUCCIÓN DE EMISIONES EN UNA PLANTA CEMENTERA POR LA COMBUSTIÓN DE BIOMASA

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1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA ESTUDIO ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA REDUCCIÓN DE EMISIONES EN UNA PLANTA CEMENTERA POR LA COMBUSTIÓN DE BIOMASA JORGE JUAN GÓMEZ RIVAS MADRID, junio de 2007

2 Índice i Índice Capítulo 1.- Introducción y planteamiento del proyecto 1.1. Introducción 1.2. Antecedentes históricos Historia del cemento Pórtland 1.3. Enfoque global y situación nacional 1.4. Planteamiento. Capítulo 2.- Proceso de producción y biomasa a utilizar 2.1. Descripción del proceso de producción del cemento Introducción Obtención de materias primas: extracción y trituración Almacenamiento y preparación de las materias primas Molienda de las materias primas para la obtención de crudo Almacenamiento y preparación de los combustibles Almacenamiento de combustibles Preparación de los combustibles Empleo de residuos como combustible Condiciones termoquímicas de los hornos de clínquer Limitaciones a la sustitución con combustibles alternativos Preparación de combustibles alternativos Manipulación de residuos y alimentación al horno Cocción de las materias primas para la obtención de clínquer. Calentamiento del horno Hornos rotativos largos Hornos rotativos equipados con precalentadores Tecnología del precalentador de parrilla Tecnología del precalentador de suspensión Hornos rotativos con precalentador y precalcinador Gases de salida del horno

3 Índice ii Enfriadores de clínquer Enfriadores rotativos Enfriadores de parrilla Enfriadores verticales Almacenamiento de clínquer y Molienda de cemento Almacenamiento del clínquer Molienda de cemento Pesaje y dosificación de la alimentación del molino Molienda Adiciones Separación por distribución granulométrica de las partículas Almacenamiento y expedición Almacenamiento Expedición 2.2. Características y disponibilidad de la biomasa a utilizar Características de la biomasa Disponibilidad de la biomasa Comarcas Disponibilidad total de biomasa en las comarcas de estudio Escenario I Escenario II Escenario III Escenario IV Resumen Tecnologías de obtención de biomasa (cultivos energéticos) ysu disponibilidad temporal Conclusiones Capítulo 3.- Descripción del modelo desarrollado Objetivos Introducción

4 Índice iii Diagrama de proceso general de la planta cementera en estudio Diagrama de proceso objeto del proyecto Metodología de trabajo Datos de la distribución de temperatura en las diferentes etapas del proceso Necesidad del estudio de la distribución de temperaturas Entradas y salidas Reacciones Transmisión de calor Generalidades del balance térmico Conclusiones Descripción del proceso de cálculo Balance térmico Alimentación al horno Combustible Comentarios relativos al combustible en la situación de referencia Comentarios relativos al combustible en la situación con biomasa Puntos de inyección de combustible Proceso de combustión Aire seco total introducido para la combustión Otras entradas de calor posibles Clinquerización Evaporación de humedad Gas de salida de precalentador: Polvo de salida de precalentador Gas del bypass y Polvo del bypass Gas (aire) de salida de enfriador Clínquer de salida del enfriador Radiación y convección Emisiones atmosféricas Visión global Óxidos de nitrógeno Dióxido de azufre

5 Índice iv Partículas Óxidos de carbono (CO2, CO) Otras emisiones Modelo en la situación de referencia y en la situación con biomasa Balance térmico en la situación de referencia Balance térmico en la situación con biomasa Emisiones en la situación de referencia Emisiones en la situación con biomasa Capítulo 4.- Estudio económico del empleo de biomasa 4.1. Economía actual del proceso de producción 4.2. Economía con la introducción de la biomasa Cantidades de biomasa a introducir sin alterar el proceso Coste de la biomasa Comercio de emisiones: beneficios por la reducción de emisiones Coste de adaptación de la biomasa al proceso de producción 4.3. Valoración económica. Capítulo 5.- Análisis de resultados Resultados del modelo en la situación de referencia y en la situación con biomasa Análisis de sensibilidad Combustible vs calor sustituido Combustible vs pérdidas de calor por humedad Precios de biomasa y no emisión de CO 2 Capítulo 6.- Conclusiones Conclusiones sobre la metodología y los resultados Recomendaciones para futuros estudios

6 Índice v Bibliografía Apéndices Apéndice 1: Estequiometría Apéndice 2: Características dimensionales del modelo del horno Apéndice 3: Tiempo de residencia Apéndice 4: Grado de llenado del horno Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor Apéndice 6: Radiación Apéndice 7: Convección Apéndice 8: Caudal de gases de combustión Apéndice 9: Temperatura de llama Apéndice 10: Longitud de llama Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno. Apéndice 12: Procesos de fabricación.

7 Introducción y planteamiento del proyecto 1 1 INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO

8 Introducción y planteamiento del proyecto INTRODUCCIÓN El cemento se fabrica a partir de una mezcla de clínquer y yeso que actúa como controlador de fraguado. En el presente proyecto se estudiará con detalle el proceso de obtención del clínker y cómo y en que cantidad puede introducirse la biomasa en el proceso de combustión que se encuentra ligado a la clinquerización o formación del clínker. El cemento es un material inorgánico, no metálico, finamente molido que cuando se mezcla con agua y áridos forma una pasta que fragua y endurece (morteros y hormigones). Este endurecimiento hidráulico se debe principalmente a la formación de silicatos cálcicos hidratados como resultado de una reacción entre el agua y los constituyentes del cemento. Esta propiedad de conglomerante hidráulico le ha convertido en un material básico de construcción, imprescindible para la edificación y la realización de infraestructuras. De todos los conglomerantes hidráulicos el cemento Pórtland y sus derivados son los más empleados en la construcción debido a estar formados, básicamente, por mezclas de caliza, arcilla y yeso que son minerales muy abundantes en la naturaleza, ser su precio relativamente bajo en comparación con otros materiales y tener unas propiedades muy adecuadas para las metas que deben alcanzar. Dentro de los conglomerantes hidráulicos entran también los cementos de horno alto, los puzolánicos y los mixtos, teniendo todos éstos un campo muy grande de empleo en hormigones para determinados medios, así como los cementos aluminosos "cementos de aluminato de calcio", que se aplican en casos especiales. Los cementos se emplean para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con agua y áridos, naturales o artificiales, obteniéndose con ellos elementos constructivos prefabricados o construidos "in situ".

9 Introducción y planteamiento del proyecto ANTECEDENTES HISTÓRICOS Hace años aparecen al norte de Chile las primeras obras de piedra unidas por un conglomerante hidráulico procedente de la calcinación de algas (génesis de la expresión cerrado a cal y canto ), estas obras formaban las paredes de las chozas utilizadas por los indios. [Fuente: Oficemen] Los egipcios emplearon morteros de yeso y de cal en sus construcciones monumentales. En Europa, el empleo de cementos naturales (en algunos casos sometidos a tratamientos térmicos primarios) en construcción se remonta a la antigüedad. En Troya y Micenas, dice la historia que, se emplearon piedras unidas por arcilla para construir muros, pero, realmente el hormigón confeccionado con un mínimo de técnica aparece en unas bóvedas construidas cien años antes de J.C. Los romanos dieron un paso importante al descubrir un cemento que fabricaban mezclando cenizas volcánicas con cal viva. En Puteoli conocido hoy como Puzzuoli se encontraba un depósito de estas cenizas, de aquí que a este cemento se le llamase "cemento de puzolana". Con hormigón construye Agripa en el año 27 antes de J.C. el Panteón en Roma, que sería destruido por un incendio y reconstruido posteriormente por Adriano en el año 120 de nuestra era y que, desde entonces, desafió el paso de tiempo sin sufrir daños hasta el año 609 se transformó en la iglesia de Santa María de los Mártires. Su cúpula de 44 metros de luz está construida en hormigón y no tiene más huecos que un lucernario situado en la parte superior..

10 Introducción y planteamiento del proyecto HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND Hasta el siglo XVIII puede decirse que los únicos conglomerantes empleados en la construcción fueron los yesos y las cales hidráulicas, sin embargo, es durante este siglo cuando se despierta un interés notable por el conocimiento de los cementos. John Smeaton, ingeniero de Yorkshire (Inglaterra), al reconstruir en 1758 el faro de Eddystone en la costa de Cornish, se encuentra con que los morteros formados por la adición de una puzolana a una caliza con alta proporción de arcilla eran los que mejores resultados daban frente a la acción de las aguas marinas y que la presencia de arcilla en las cales, no sólo las perjudicaba sino que por el contrario, las mejoraba, haciendo que estas cales fraguasen bajo el agua y que una vez endurecidas fuesen insolubles en ella. [Fuente: Oficemen] Puede decirse con acierto que el primer padre del cemento fue Vicat a él se debe el sistema de fabricación que se sigue empleando en la actualidad y que propuso en Vicat fue un gran investigador y divulgador de sus trabajos; en 1818 publicó su "Recherches experimentales" y en 1928 "Mortiers et ciments calcaires". En estos trabajos marca la pauta a seguir en la fabricación del cemento por medio de mezclas calizas y arcillas dosificadas en las proporciones convenientes y molidas conjuntamente. El sistema de fabricación que empleó Vicat fue el de vía húmeda y con él marcó el inicio del actual proceso de fabricación. Este gran científico en 1853 empieza a estudiar la acción destructiva del agua de mar sobre el mortero y hormigón.

11 Introducción y planteamiento del proyecto 5 En 1824, Joseph Aspdin, un constructor de Leeds en Inglaterra, daba el nombre de cemento Pórtland y patentaba un material pulverulento que amasado con agua y con arena se endurecía formando un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland. Probablemente, el material patentado por Aspdin era una caliza hidráulica debido, entre otras cosas, a las bajas temperaturas empleadas en la cocción. En 1838 Brunel emplea por primera vez un cemento procedente de la fábrica de Aspdin en el que se había logrado una parcial sinterización por elección de una temperatura adecuada de cocción. Este cemento se aplicó en la construcción de un túnel bajo el río Támesis en Londres. [Fuente: Oficemen] Puede decirse que el prototipo del cemento moderno fue producido a escala industrial por Isaac Johnson quien en 1845 logra conseguir temperaturas suficientemente altas para clínquerizar a la mezcla de arcilla y caliza empleada como materia prima. El intenso desarrollo de la construcción de ferrocarriles, puentes, puertos, diques, etc., en la segunda mitad del siglo XIX, da una importancia enorme al cemento y las fábricas de éste, especialmente las de cemento natural, empiezan a extenderse por doquier. Es a partir de 1900 cuando los cementos Pórtland se imponen en las obras de ingeniería y cuando empieza un descenso veloz del consumo de cementos naturales. El cemento Pórtland fue patentado en 1824, y es el cemento más ampliamente empleado en la actualidad en la construcción con hormigón.

12 Introducción y planteamiento del proyecto 6 Actualmente, el cemento Pórtland ha llegado a una gran perfección y es el material industrializado de construcción de mayor consumo. Se puede decir que el cemento es el alma del hormigón, yendo destinada, prácticamente, toda su producción a enlazar piedras sueltas para crear el material pétreo que conocemos como hormigón. Las investigaciones llevadas a cabo por los padres del cemento Michaelis y Le Chatelier, en 1870 y 1880, fueron fundamentales y muy meritorias para el desarrollo de este material. En ellas se apoya toda la investigación actual que emplea técnicas de análisis muy sofisticadas y rápidas.

13 Introducción y planteamiento del proyecto ENFOQUE GLOBALY SITUACIÓN NACIONAL El consumo y producción de cemento están directamente relacionados con la marcha del sector de la construcción y, por tanto, con la coyuntura económica general. En la figura siguiente se aprecia que la producción mundial de cemento ha crecido progresivamente desde comienzos de los años 50, con una fabricación creciente en los países en desarrollo, particularmente en Asia, que cuenta con la mayor parte del crecimiento en la producción mundial de cemento en los años 90. [Fuente: Cembureau] En 2000 la producción mundial de cemento alcanzó los Mt. Las tablas siguientes muestra la distribución de la producción de cemento por regiones geográficas.

14 Introducción y planteamiento del proyecto 8 Producción mundial de cemento por regiones geográficas en 2000 [Fuente: Cembureau] [Fuente: Oficemen] En 2000, la producción de cemento en la Unión Europea totalizó 194,3 Mt y el consumo de cemento alcanzó 190,7 Mt. Se importaron 24 millones de toneladas de cemento y se exportaron 22,7 Mt, (incluido el comercio entre países de la Unión Europea.) En la figura siguiente se muestran las cifras de consumo y de producción de cemento de la Unión Europea.

15 Introducción y planteamiento del proyecto 9 Producción de cemento (incluido clínker para exportación) y consumo de cemento Unión Europea en [Fuente: Cembureau] El comercio mundial de cemento supone tan sólo el 6%-7% de la producción, en su mayoría transportado por mar. Hay generalmente poca importación y exportación de cemento, principalmente como resultado del alto costo del transporte por carretera (los suministros de cemento por carretera suelen ser por lo general a distancias no mayores de 150 Km.). Aunque estos costes han hecho que históricamente los mercados del cemento hayan sido predominantemente locales, la progresiva globalización de la economía y la consiguiente desaparición de las trabas al comercio internacional suponen un reto para la fabricación de cemento en la Unión Europea, que sufre la presión de importaciones a bajo precio desde países de la cuenca mediterránea y de Europa del este, e incluso desde países asiáticos. Las cifras de producción en España en los últimos 25 años han evolucionado como indica la siguiente figura, donde se observa la influencia sobre las mismas de la coyuntura económica del país (crisis de principios de los 70, mediados de los 80, inicio de los 90).

16 Introducción y planteamiento del proyecto 10 Producción de cemento en España (miles de toneladas). [Fuente: Oficemen] En la siguiente tabla se refleja la evolución mensual de la producción de cementos en España en 2004 Nótese que en España sólo se fabrican siete tipos de cemento blanco. Este tipo de cemento se emplea en ciertos tipos de construcciones que requieren de un color blanco y básicamente es igual que el gris pero en su proceso de fabricación se tiene un especial cuidado en la selección de la calidad de las materias primas y combustibles para evitar que se colore.

17 Introducción y planteamiento del proyecto 11 [Fuente: Oficemen]

18 Introducción y planteamiento del proyecto 12 [Fuente: Oficemen]

19 Introducción y planteamiento del proyecto 13 España, por su condición de país costero presenta mayores niveles de comercio internacional de cemento, a través de las instalaciones portuarias, por lo que la industria cementera española compite en un mercado global totalmente liberalizado. Hay cerca de 300 plantas de fabricación de cemento existentes en la Unión Europea. Las instalaciones de fabricación suelen ser integrales (plantas con hornos de clínker y molinos de cemento), aunque en algunos casos cuentan únicamente con instalaciones de molienda de cemento (sin horno de clínker). Hay más de 400 hornos en los países de la UE, aunque no todos están en funcionamiento de forma simultánea. La tendencia observada en el sector en los últimos años ha sido incrementar la capacidad de producción de las fábricas, a la vez que se cerraban las instalaciones más antiguas y de menor capacidad. La capacidad de producción típica en las fábricas de la UE es de aproximadamente t/día, equivalente a algo más de de t al año de producción. En España el sector de la fabricación del cemento está constituido por 17* empresas pertenecientes a 14* grupos. La producción se realiza en 42* fábricas, de las cuales 6* son solamente de molienda. Sus capacidades se sitúan entre las 200 a t de cemento diarias. La distribución geográfica de estas fábricas se puede apreciar en la siguiente figura. Existen 58* hornos de clínker, distribuidos entre las 36* fábricas integrales existentes. *DATOS DE 2004

20 Introducción y planteamiento del proyecto 14 Distribución geográfica de las fábricas de cemento en España en [Fuente: Oficemen] Los fabricantes de cemento de la UE han incrementado la producción de cemento por hombre/año desde t en 1970 a t en Este incremento en la productividad es el resultado de la incorporación progresiva de equipos de producción de gran tamaño y muy automatizados. Estas instalaciones requieren menos personal, pero más altamente cualificado. El número de personas empleadas en la industria del cemento en la Unión Europea se cifra en cerca de , y en la española en cerca de La norma europea EN de cementos comunes define las especificaciones de 27 tipos de cemento Pórtland, divididos en cinco grupos. Además de los anteriores, se fabrican cementos especiales para aplicaciones particulares. El cemento se emplea fundamentalmente en construcción de edificios e infraestructuras. La siguiente tabla indica el consumo realizado en España en las cuatro áreas básicas.

21 Introducción y planteamiento del proyecto 15 Consumo de cemento en España por aplicación en 2000 (%) [Fuente: Oficemen] Además de la producción de cemento, las empresas cementeras se han diversificado también en diversos subsectores de materiales de construcción tales como extracción de áridos, plantas de hormigón, prefabricados, etc. La industria del cemento es una industria intensiva en capital. La inversión necesaria para la construcción de una fábrica de cemento equivale aproximadamente a la facturación de tres años, lo que la convierte en una de las actividades industriales más intensivas en capital.

22 Introducción y planteamiento del proyecto PLANTEAMIENTO Dada la importancia del consumo y producción de cemento y su directa relación con la marcha del sector de la construcción y, por tanto, con la coyuntura económica general resulta lógico el estudio tecnológico exhaustivo del proceso de producción del cemento. Esta actividad de desarrollo tecnológico se encuentra ligada a todos los aspectos relacionados en la producción. Los costes de fabricación más importantes son los relacionados con el consumo de energía (combustibles y electricidad), que se sitúan alrededor del 30% de los costes de producción, y los de personal. [Fuente: Oficemen] El presente proyecto se centra en el empleo de combustibles alternativos. La utilización de residuos y subproductos como combustibles alternativos no debe perjudicar el comportamiento ambiental de la instalación ni dificultar la operación de la fábrica o afectar a la calidad del cemento.

23 Introducción y planteamiento del proyecto 17 Es por esto que el empleo de biomasa como combustible alternativo resulta de especial interés en el proceso de producción del cemento, no sólo por los beneficios económicos que puede llevar consigo sino por los beneficios ambientales que se consiguen derivados del empleo de un combustible respetuoso con el medioambiente. El presente proyecto que se titula ESTUDIO ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA REDUCCIÓN DE EMISIONES EN UNA PLANTA CEMENTERA POR LA COMBUSTIÓN DE BIOMASA tiene por tanto un gran interés para el sector cementero, en sus dos vertientes, la económica y la ambiental.

24 Proceso de producción y biomasa a utilizar 1 2 PROCESO DE PRODUCCIÓN Y BIOMASA A UTILIZAR

25 Proceso de producción y biomasa a utilizar DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL CEMENTO INTRODUCCIÓN La química básica del proceso de la fabricación del cemento empieza con la descomposición del carbonato cálcico (CaCO 3 ) a unos 900º C dando óxido cálcico (CaO) y liberando dióxido de carbono gaseoso (CO 2 ); este proceso se conoce como calcinación o descarbonatación de la caliza. Sigue luego el proceso de clinquerización en el que el óxido de calcio reacciona a alta temperatura (normalmente entre y 1.500º C) con sílice, alúmina y óxido de hierro para formar los silicatos, aluminatos y ferritos de calcio que componen el clínker (C 3 S alita 3CaO.SiO 2, C 2 S belita 2CaO.SiO 2, C 3 A aluminato 3CaO.Al 2 O 3, C 4 AF ferrita 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 ). Finalmente el clínker se muele conjuntamente con yeso y otras adiciones para producir el cemento. El cemento es un producto pulverulento e hidráulicamente activo, es decir, que genera resistencias mecánicas al hidratarse. Se fabrica a partir de una mezcla de clínker y yeso que actúa como controlador de fraguado. Además se le pueden añadir otro tipo de adiciones activas como cenizas volantes, escorias de alto horno, caliza, humo de sílice o puzolanas dando lugar a los distintos tipos de cemento gris (el más común) y blanco. Hay cuatro procesos para la fabricación del cemento; procesos seco, semiseco, semihúmedo y húmedo. En los apéndices se ha incluido como referencia esquemas con estos procesos. En el proceso seco, las materias primas son trituradas y secadas para formar el crudo o harina que tiene la forma de un polvo fluido. El crudo se alimenta a un horno con precalentador o con precalcinador, o más raramente, directamente a un horno largo de vía seca. Este proceso será objeto de la situación de referencia del presente proyecto.

26 Proceso de producción y biomasa a utilizar 3 [Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY]

27 Proceso de producción y biomasa a utilizar 4 La elección del proceso tiene una gran importancia y viene determinada por el estado de las materias primas (secas o húmedas). En Europa, entorno al 78**% de la producción se basa en procesos de vía seca, gracias a la disponibilidad de materias primas secas. En España este porcentaje es superior (93*%): de los 58* hornos existentes 47* son de vía seca. Los procesos húmedos consumen más energía y por lo tanto tienen un mayor coste de producción. Las plantas que emplean procesos húmedos o semihúmedos lo suelen hacer porque normalmente sólo tienen acceso a materias primas húmedas. En España, este proceso sólo se da en 5* hornos de plantas del norte en que las materias primas tienen un alto contenido de humedad, y representa el 3*% de la capacidad de producción. En España existen 5* hornos de vía semiseca, que representan el 3*% de la capacidad de producción. En Europa el 16**% de la producción se realiza por vía semihúmeda y semiseca y sólo un 6**% por vía húmeda. Los hornos de fabricación de clínker blanco son de vía seca y semiseca, representando un 4* % de la capacidad. *DATOS DE 2004 **DATOS DE 2006

28 Proceso de producción y biomasa a utilizar 5 Todos los procesos de fabricación del cemento tienen en común los siguientes subprocesos o etapas importantes: A. Obtención de materias primas: extracción y trituración (1) (2) (3). B. Almacenamiento y preparación de materias primas (4) C. Molienda de las materias primas para la obtención de crudo (5) (6) D. Almacenamiento y preparación de combustibles. E. Cocción de las materias primas para la obtención de clínker (7) (8) (9) F. Almacenamiento de clínker y Molienda de cemento (10) (11) G. Almacenamiento, ensacado y expedición de cemento (12) [Fuente: HOLCIM]

29 Proceso de producción y biomasa a utilizar OBTENCIÓN DE MATERIAS PRIMAS: EXTRACCIÓN Y TRITURACIÓN. El proceso de fabricación del cemento comienza con la obtención de las materias primas necesarias para conseguir la composición deseada de óxidos metálicos para la producción de clínker. El clínker se compone de los siguientes óxidos. Oxido % en peso CaO SiO Al 2 O Fe 2 O MgO 1-5 Mn 2 O 3 0,1-3 TiO 2 0,1-1 SO 3 0,1-2 K 2 O 0,1-1 Na 2 O 0,1-0,5 La obtención de la proporción adecuada de los distintos óxidos se realiza mediante la dosificación de los minerales de partida: Caliza y marga para el aporte de CaO. Arcillas y pizarras para el aporte del resto óxidos. Por tanto las materias primas para la fabricación de clínker son dos principalmente: Un aporte de carbonato: generalmente calizas o margas. Son las encargadas de aportar el CaO que luego reaccionará en el horno para formar los silicatos que son los componentes realmente activos en el clínker.

30 Proceso de producción y biomasa a utilizar 7 Un aporte de fundentes: generalmente arcillas o pizarras. Son las encargadas de aportar los óxidos que funcionan como fundentes y que contribuyen a la formación de fase líquida en el horno facilitando las reacciones. En la Naturaleza, existen depósitos calcáreos tales como caliza, marga o creta, que proporcionan la fuente del carbonato cálcico (CaCO 3 ) que origina el óxido de calcio (CaO). El óxido de magnesio (MgO) se origina a partir del carbonato de magnesio (MgCO 3 ). La sílice (SiO 2 ), el óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) y la alúmina (Al 2 O 3 ) se encuentran en diversas menas y minerales, tales como arena, pizarra, arcilla y mena de hierro. También se pueden emplear subproductos y residuos como sustitutivos parciales de las materias primas naturales tal y como se muestra en la siguiente tabla. Residuos frecuentes empleados como materias primas en la industria del cemento [Fuente: Cembureau] En España, los más utilizados como sustitutos de materias primas en el crudo son: escorias (de hierro y fundición), cascarillas de hierro, arenas de fundición y lodos de papeleras. También se emplean en gran cantidad las cenizas volantes de central térmica como adición para la fabricación de cemento. La extracción de casi todas las materias primas naturales implica operaciones en canteras y minas. Los materiales se obtienen normalmente en canteras a cielo abierto. Las operaciones de extracción incluyen perforación de rocas, voladuras, excavaciones, acarreo y trituración.

31 Proceso de producción y biomasa a utilizar 8 Las principales materias primas, como la caliza, marga arcillosa y arcilla, se extraen de las canteras. En la mayoría de los casos la cantera está próxima a la planta. Después de la trituración primaria, las materias primas se transportan a la planta de cemento para su almacenamiento y posterior preparación. Otras materias primas, tales como minerales de hierro, escorias de alto horno o arenas de fundición, se suministran a través de fuentes externas. El proceso de fabricación del cemento se inicia con los estudios y evaluación minera de materias primas (calizas y arcillas) necesarias para la producción. Como segundo paso se complementan los estudios geológicos, se planifica la explotación y se inicia el proceso: de perforación, quema, remoción, clasificación, cargue y transporte de materia prima. Estos materiales se extraen mediante perforación y voladura de una cantera que generalmente se encuentra en las proximidades de la fábrica. Una vez removido el material y clasificado, se inicia el proceso de trituración reduciendo el tamaño de la roca y es transportado a las instalaciones de la fábrica. El material es fracturado hasta obtener una granulometría apropiada para su preparación posterior. Las materias primas son transportadas a la fábrica de cemento donde se descargan para su almacenamiento y posterior preparación.

32 Proceso de producción y biomasa a utilizar ALMACENAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS El tratamiento previo de las materias primas es fundamental para el subsiguiente proceso del horno. Hay que prestar especial atención a la composición química del crudo y a la adecuada finura del mismo que se obtenga al final de la molienda. En el caso de la fabricación de cemento blanco (en España se fabrican siete tipos como se indica en el capítulo 1) hay que prestar especial cuidado a las materias primas para evitar elementos que puedan alterar el color del producto final. Los estudios de composición de los materiales en las distintas zonas de cantera y los análisis que se realizan en fábrica permiten dosificar la mezcla de materias primas para obtener la composición deseada. La necesidad de emplear almacenes cubiertos depende de las condiciones climáticas y del porcentaje de finos en las materias primas al salir de la planta de trituración. En el caso de una planta de t/día de producción de clínker, el almacenamiento promedio se estima entre y t de material. Uno de los factores más importantes en la fabricación del clínker es la alimentación de materias primas al horno ya que necesita ser lo más homogénea posible desde el punto de vista de su composición química. Esto se logra controlando la alimentación en la planta de molienda de crudo. Cuando el material de la cantera varía en su calidad, se puede lograr con un proceso de prehomogenización inicial por apilamiento del material en capas longitudinales (o circulares) según el tipo de parque, y extrayéndolo, tomando secciones transversales de toda la pila. Cuando el material de la cantera es homogéneo, pueden emplearse sistemas de apilamiento y extracción más simples.

33 Proceso de producción y biomasa a utilizar 10 La materia prima para la fabricación del clínker debe de tener un porcentaje determinado de cada uno de los óxidos y suele ser necesario el aportar adiciones correctoras de la composición (ferrita, magnetita, alúmina, sílice, caliza, etc.). Las materias primas usadas en pequeñas cantidades, por ejemplo las adiciones minerales, se pueden almacenar en silos o tolvas. Las materias primas especiales, tales como cenizas volantes y fosfoyesos, deben ser almacenadas y preparadas de acuerdo a requerimientos específicos. La prehomogenización realizada mediante diseños adecuados del apilamiento y la extracción de los materiales en los almacenamientos reduce la variabilidad de los mismos. [Fuente: Oficemen] El material triturado se transporta por medio de bandas hasta el patio, de prehomogeneización, donde se organizan en dos pilas en capas horizontales para luego consumirse en cortes (tajadas) verticales. Los materiales pueden ser analizados a su paso mediante un equipo de rayos gamma localizado sobre la banda transportadora. Con esto se logra una primera homogeneidad de las materias primas. Este material es transportado y almacenado en un silo del cual se alimenta el molino de crudo. Allí mismo se tienen silos con los materiales correctivos (minerales de hierro y caliza correctiva alta generalmente). Se dosifica dependiendo de sus características; y mediante básculas el material al molino de harina (o crudo).

34 Proceso de producción y biomasa a utilizar MOLIENDA DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LA OBTENCIÓN DE CRUDO Para lograr un crudo de composición química homogénea, es de gran importancia, que las materias primas que alimentan el molino se pesen y dosifiquen con la mayor exactitud posible. Esto es esencial para conseguir un buen funcionamiento del horno y para obtener un clínker de alta calidad. La medición y dosificación es también un factor importante de cara a la eficiencia energética del sistema de molienda. El equipo más común de pesaje y dosificación usado en la alimentación de materias primas a los molinos consta de tolvas intermedias por producto, llenadas desde el parque de materias primas o por alimentación exterior, extracción de las tolvas con básculas dosificadoras y un alimentador de banda para introducir el material al molino. El material extraído y dosificado de los silos de materias primas tiene un tamaño aproximado de 10cm y se debe reducir su tamaño. La finalidad de la molienda es reducir el tamaño de las partículas de materias para que las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada. Por lo tanto, las materias primas, en proporciones controladas, se muelen y se mezclan juntas para formar una mezcla homogénea con la composición química requerida. Para los sistemas de horno seco y semiseco, los componentes de las materias primas se muelen y se secan hasta lograr un polvo fino, haciendo uso principalmente de los gases calientes de salida del horno y/o del aire de salida del enfriador de clínker. Para las materias primas con alto contenido de humedad, y en los procesos de arranque, puede necesitarse un hogar auxiliar para proporcionar calor adicional.

35 Proceso de producción y biomasa a utilizar 12 Este material pulverizado es transportado mediante la succión de gases calientes provenientes del horno, hasta el filtro de mangas, donde es separado el material del aire y transportado al silo de homogeneización. En el silo se homogeneiza, la harina, mediante aire para, obtener una harina cuya composición química sea la ideal para la fabricación del clínker. El material aportado al horno debe ser finamente molido. El resultado de esta molienda es un material que recibe el nombre de harina o crudo que es almacenado en unos silos dotados de un sistema de homogeneización neumática. El material obtenido debe ser homogeneizado para garantizar la calidad del clínker y la correcta operación del horno. La molienda de materias primas (molienda de crudo) se realiza en equipos mecánicos rotatorios, en los que la mezcla dosificada de materias primas es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas. Los sistemas más usuales de molienda en seco son: - molino de bolas con descarga central - molino de bolas, barrido por aire - molino vertical de rodillos (que consiste en una mesa giratoria con tres rodillos, sobre la cual muelen el material que cae sobre la mesa hasta pulverizarlo). - molino horizontal de rodillos (sólo hay unas pocas instalaciones hasta ahora). Otros sistemas de molienda, menos frecuentemente empleados son: - molino de bolas con descarga final en circuito cerrado - molino en circuito abierto - prensa de rodillos, con o sin secador triturador.

36 Proceso de producción y biomasa a utilizar 13 La finura y la distribución granulométrica de las partículas de crudo que salen del sistema de molienda son de la mayor importancia para el subsiguiente proceso de calcinación. El patrón fijado para estos parámetros se alcanza mediante el ajuste del separador empleado para la clasificación del producto que sale del molino. En la molienda de vía seca, se emplean separadores de aire. A título descriptivo los hornos de vía húmeda o semihúmeda emplean la molienda húmeda. Los componentes de las materias primas se muelen junto con agua añadida para formar una pasta. Para lograr la finura requerida de la pasta, que cumpla con las demandas de calidad, suelen utilizarse los sistemas de molienda en circuito cerrado. La pasta que sale del proceso de molienda, requiere posteriormente una mezcla y homogeneización para lograr la óptima composición del crudo, antes de ser enviada al horno. La pasta se almacena en balsas, tanques o bien en silos.

37 Proceso de producción y biomasa a utilizar ALMACENAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES Se pueden emplear diversos combustibles para proporcionar la energía térmica requerida por el proceso. Hoy en día, se emplean principalmente tres diferentes tipos de combustibles en el calentamiento del horno de cemento; en orden decreciente de importancia en Europa son: - coque de petróleo y/o carbón pulverizado - residuos orgánicos - fuel óleo pesado - gas natural. Los principales combustibles empleados en la industria cementera española son coque de petróleo y carbón (carbones bituminosos y lignitos). El elevado coste impide normalmente el empleo de gas natural o fuel óleo, pero la elección del combustible depende de la situación local (un ejemplo es la aplicación de carbones nacionales donde se puedan obtener). Los principales constituyentes de las cenizas de estos combustibles son compuestos de sílice y alúmina. Estos se combinan con las materias primas formando parte del clínker. El contenido y composición de las cenizas influye en el cálculo de la composición del crudo, por lo que es deseable emplear un combustible con un contenido bajo en cenizas. Las altas temperaturas y los largos tiempos de permanencia de los gases en el horno, implican un considerable potencial para la destrucción de los compuestos orgánicos. Esto permite emplear como combustibles de sustitución, residuos de otros procesos. En el caso de fabricación del cemento blanco la selección de combustibles debe hacerse con especial cuidado para evitar elementos que puedan alterar el color del producto final por lo que no es posible en general el uso de los combustibles alternativos anteriormente mencionados.

38 Proceso de producción y biomasa a utilizar ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLES El carbón y el coque de petróleo se almacenan de forma similar a las materias primas, en muchos casos, en almacenes cubiertos. La formación de montones grandes y compactos exteriores a cielo abierto se emplea para los almacenamientos de larga duración. Estos montones deben ser tratados para prevenir la erosión por lluvia y del viento (riego asfáltico, riego con agua y material tenso activo, cubrir con hierba, etc.). Si hay suelos de hormigón bajo los montones apilados, se puede recoger y depurar el agua de los drenajes. Cuando se almacena carbón de relativamente alto contenido en materias volátiles, se necesita observar una buena práctica en términos de compactación y altura de las pilas, para evitar el riesgo de ignición espontánea, cuando se almacena por períodos largos. El carbón y el coque de petróleo pulverizados se almacenan exclusivamente en silos. Por razones de seguridad (como el riesgo de auto ignición o explosiones causadas por electricidad estática), estos silos deben estar equipados con medios de seguridad. En la mayoría de los casos disponen de válvulas antiexplosión y sistemas de inertización con CO 2 o nitrógeno. El fuel óleo se almacena en tanques de acero. Para poder bombear el fuel óleo se precisa calentarlo con objeto de aumentar su fluidez. Esto se logra mediante sistemas de calentamiento con vapor o con aceite térmico y el calorifugado de las conducciones. El gas natural no se almacena en la planta de cemento. Normalmente se suministra directamente desde las redes de distribución de gas.

39 Proceso de producción y biomasa a utilizar PREPARACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES La preparación del combustible sólido (trituración, molienda y secado) se suele llevar a cabo normalmente in situ. El carbón y el coque de petróleo son pulverizados casi a la finura de la harina cruda, en torno a valores de 200µm, en plantas de molienda que emplean equipos similares a las plantas de molienda de materias primas. La mayor parte del combustible que se alimenta al horno (65-85%) tiene que estar finamente molida, mientras que el resto (15-35%) puede ser alimentado sin pulverizar (por ejemplo neumáticos enteros o troceados), siendo introducido por puntos alternativos al quemador. Ver punto Empleo de residuos como combustible. La finura del combustible pulverizado es muy importante. Si es demasiado fino, las temperaturas de la llama pueden ser demasiado elevadas. Si es demasiado grueso, puede ocurrir una mala combustión. El combustible sólido de bajo contenido en volátiles necesitará una trituración más fina. Si no se dispone de suficiente aire caliente para el secado, proveniente del horno o del enfriador, tiene que instalarse un hogar auxiliar. Es fundamental la instalación de dispositivos especiales para proteger el equipo contra fuegos y explosiones. Se emplean tres sistemas principalmente de trituración y molienda de combustible: - molino de bolas, barrido por aire - molino vertical - molino de impactos. El combustible sólido molido puede llevarse directamente al quemador del horno, pero en las instalaciones modernas se almacena generalmente en silos desde los que se alimentan los sistemas de dosificación a los quemadores primarios y secundarios del horno. La molienda del combustible sólido, su almacenamiento y los sistemas de calentamiento tienen que ser diseñados y operados de tal forma que se evite el riesgo de explosión o de fuego.

40 Proceso de producción y biomasa a utilizar 17 Se debe controlar adecuadamente la temperatura del aire y evitar la acumulación de material fino en puntos muertos expuestos al calor. En el caso de utilizar fuel óleo, para facilitar su manipulación y combustión, el fuel óleo se calienta a º C, lo que reduce su viscosidad a 10-20cSt. Adicionalmente, se eleva la presión a 20-40bar. Preparación de gas natural: Antes de la combustión tiene que reducirse la presión de la tubería de 30-80bar a la presión de la red de la planta de 3-10bar y luego reducir de nuevo a la presión de suministro al quemador, alrededor de 1bar (sobre presión). La primera etapa de reducción de presión se realiza en la estación de transferencia del gas, donde también tiene lugar la medida de consumo. Para evitar la congelación del equipo como resultado del efecto Joule - Thompson se precalienta el gas natural antes de pasar a través de la válvula de reducción de presión.

41 Proceso de producción y biomasa a utilizar EMPLEO DE RESIDUOS COMO COMBUSTIBLE El empleo de combustibles alternativos es una práctica asentada en la mayoría de los países desarrollados desde hace más de veinte años, entre los que destacan por el nivel de substitución con residuos: Japón, Suiza, Estados Unidos, Bélgica, Alemania y Francia. En el año 2000, más del 13 % de los combustibles utilizados en la industria cementera de la Unión Europea fueron alternativos. Aproximadamente un tercio de los hornos de cemento instalados (unos 150 de los casi 450 existentes) emplean combustibles alternativos, con un consumo total equivalente a más de 3 millones de toneladas de carbón. El nivel de sustitución mantiene una tendencia creciente, y en algunas regiones se ha superado la cifra del 50 %. En la siguiente tabla podemos ver las cantidades empleadas de algunos residuos y los países en los que más se utilizan. Ejemplos de residuos utilizados en la Unión Europea en 1997 [Fuente: Cembureau, British Cement Association, Oficemen].

42 Proceso de producción y biomasa a utilizar 19 Además de los residuos relacionados en la anterior tabla, las fábricas de cemento de la Unión Europea emplean como combustibles alternativos residuos agrícolas y ganaderos (como harinas o grasas animales, biomasa, etc.), de la industria del caucho, lodos industriales, lodos de depuración de aguas residuales y otros que cumplen con los requisitos necesarios. El sector cementero español utilizó en el año 2002 unas t de residuos como combustibles alternativos, que supusieron poco más del 1% del consumo térmico de los hornos de clínker. Estos residuos fueron principalmente: - Neumáticos - Harinas animales - Líquidos (disolventes, barnices, etc.) - Residuos de madera - Aceites usados [Fuente: Oficemen]

43 Proceso de producción y biomasa a utilizar CONDICIONES TERMOQUÍMICAS DE LOS HORNOS DE CLÍNKER La combustión en el horno de clínker tiene lugar en una o dos zonas, en función de la tecnología empleada: a) En el mechero principal, presente en todos los hornos, situado en la parte más baja del horno rotatorio. La llama alcanza una temperatura cercana a los 2.000º C. Los gases de combustión se mantienen a más de 1.200º C durante un tiempo superior a 5 segundos, en atmósfera oxidante. b) En la zona del horno en que se produce la descarbonatación de la caliza (calcinación), en la que la combustión se realiza a temperaturas cercanas a los 1.200º C, manteniéndose los gases a una temperatura superior a 850º C durante unos 3 segundos. a) b) [Fuente: Generalitat de Catalunya Departament de Medi Ambient]. La ubicación concreta de la segunda zona de combustión varía para distintas tipologías de hornos:

44 Proceso de producción y biomasa a utilizar 21 - Los hornos más modernos disponen de cámaras de combustión en la parte baja de la torre de ciclones (precalcinador), donde se realiza la combustión con aporte de aire caliente proveniente del enfriador de clínker (ver siguiente figura). Algunos hornos disponen de precalcinador sin aporte de aire terciario, por lo que la combustión se realiza con el exceso de oxígeno proveniente del mechero principal. Esquema de horno con intercambiador de ciclones y precalcinador [Fuente: Energie. Comisión Europea].

45 Proceso de producción y biomasa a utilizar 22 - En hornos vía seca que no disponen de precalcinador o en hornos vía semiseca o semihúmeda, la combustión puede realizarse en la primera zona del horno rotatorio. Este sistema está especialmente indicado para combustibles densos y alimentados en tamaños relativamente grandes (pe.: neumáticos enteros o troceados, ver figura siguiente). Alimentación de neumáticos troceados al horno. Ejemplo. [Fuente: Energie. Comisión Europea].

46 Proceso de producción y biomasa a utilizar 23 - En hornos vía húmeda o en hornos largos, la alimentación de combustibles alternativos puede realizarse en una zona adecuada del horno rotatorio (sistema patentado Mid Kiln, ver siguiente figura). La apertura realizada en el horno rotatorio y el sistema de compuertas permite que se pueda alimentar combustible en cada rotación del horno. Esquema de funcionamiento del sistema MID-KILN. [Fuente: Energie, Comisión Europea]. [Fuente: World Cement].

47 Proceso de producción y biomasa a utilizar 24 En las condiciones de combustión descritas, los compuestos orgánicos contenidos en los residuos son destruidos, dando como resultado la formación de CO 2 y H 2 O. La energía liberada en la combustión se aprovecha en el proceso de fabricación de clínker. En el caso de que el residuo contenga cloro o azufre, la combustión generará gases ácidos como el cloruro de hidrógeno y el óxido de azufre. Estos gases son neutralizados y absorbidos en su práctica totalidad por la materia prima, de naturaleza alcalina. Las sales inorgánicas formadas se incorporan al clínker. En caso de que los residuos contengan metales, su presencia será controlada en las emisiones. Los numerosos estudios realizados sobre el comportamiento de los metales han demostrado que éstos son retenidos mayoritariamente en el clínker, con cifras de retención muy próximas al 100%, salvo para metales relativamente volátiles como el mercurio y el talio, que deberán ser controlados y limitados en los residuos que entren en el horno. Por otra parte, los combustibles alternativos pueden aportar minerales que contribuyan a formar los compuestos del clínker. Los neumáticos usados, por ejemplo, además de energía aportan hierro para la composición del clínker. En este caso, además de la valorización energética, la materia prima contenida en el residuo se recicla en el clínker.

48 Proceso de producción y biomasa a utilizar LIMITACIONES A LA SUSTITUCIÓN CON COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS La utilización de residuos y subproductos como combustibles alternativos no debe perjudicar el comportamiento ambiental de la instalación ni dificultar la operación de la fábrica o afectar a la calidad del cemento. Las limitaciones en cuanto a los tipos de residuos derivan de las consideraciones anteriores. La presencia de cloro en el horno puede dar lugar a problemas de pegaduras y atascos durante el proceso de fabricación. Además, el contenido en cloro en el cemento está limitado al 0,1 % en peso, por lo que debe garantizarse que el empleo de combustibles alternativos no introduzca cantidades significativas de cloro en el proceso. Por otra parte, ya se ha comentado que los metales más volátiles (Hg., Ti.) no son retenidos al 100% por la acción del horno, por lo que se emplean residuos con contenidos lo suficientemente bajos de estos elementos. Tampoco pueden tratarse residuos radioactivos. En cuanto a los residuos orgánicos de origen sanitario u hospitalario, las empresas cementeras son reacias a utilizarlos, aunque no hay limitaciones tecnológicas que lo justifiquen. Las autoridades ambientales competentes establecen en los permisos las limitaciones en cuanto a composición y cantidad de residuos, de forma que se garantice la compatibilidad ambiental de la actividad. También establecen los límites de emisión que debe respetar la instalación durante la combustión de los residuos, los cuales son normalmente más estrictos que los límites habituales, intentando que el ahorro de costes energéticos obtenido por el operador revierta de alguna forma en inversiones y mejoras ambientales añadidas.

49 Proceso de producción y biomasa a utilizar PREPARACIÓN DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS La práctica totalidad de los combustibles alternativos empleados en las fábricas de cemento son sólidos o líquidos. Hoy en día muchas fábricas utilizan residuos industriales (aceites, disolventes o neumáticos usados) como combustible, valorizando así los mismos y evitando los posibles daños en el medio ambiente que su almacenamiento provoca. Los combustibles sólidos (neumáticos, papel, plástico) se someten a tratamientos que incluyen la adecuación del tamaño mediante trituración o corte, para adaptar el residuo a las instalaciones de almacenamiento, manipulación y combustión de la fábrica de cemento. Los combustibles líquidos (lubricantes, disolventes, etc.) pueden en su mayoría alimentarse al horno en su composición original, aunque normalmente se les somete a procesos de mezcla y homogeneización en plantas específicamente diseñadas (plantas de preparación de residuos), con el fin de optimizar la combustión en el horno, tanto desde un punto de vista de operación del mismo como de su comportamiento ambiental MANIPULACIÓN DE RESIDUOS Y ALIMENTACIÓN AL HORNO Una vez autorizada por parte de la autoridad ambiental la utilización de residuos como combustibles alternativos en el horno de cemento, la gestión de los mismos en la fábrica se estructura en cuatro etapas (ver tabla del apartado): 1º Recepción: Cada cargamento entrante en la fábrica es sometido a un control e inspección, que incluye desde el pesaje y observación visual, hasta la analítica completa para determinados residuos peligrosos.